CN101064483A - 用于控制电力变换装置的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于控制电力变换装置的装置和方法。一种用于电力变换装置的控制装置，所述电力变换装置对来自直流电源的输出进行PWM，产生交流电输出，该控制装置包括：电流控制器，其将给定的电流命令值变换为电压命令值；载波产生器，其产生PWM载波；PWM产生器，其根据电压命令值和PWM载波产生要供给到电力变换装置的PWM信号；频率控制器，其产生来自载波产生器的PWM载波的频率的变化；以及电流控制增益控制器，其根据PWM载波的频率的变化产生电流控制器的电流控制增益的变化。电流控制器的电流控制增益根据来自载波产生器的PWM载波的频率的变化而变化。

Description

用于控制电力变换装置的装置和方法
技术领域
本发明涉及一种用于控制电力变换装置的装置和方法，并涉及一种用于防止由脉宽调制(PWM，pulse widthmodulation)载波的频率变化而引起故障发生的技术，电力变换装置用于对来自直流(DC，direct current)电源的输出进行脉宽调制，从而产生交流(AC，alternating current)电的输出。
背景技术
构造由脉宽调制信号驱动的设备(例如电流控制步进马达)，以通过改变通过该设备供给的电流波形的占空比(或通过进行脉宽调制(下文中简称为“PWM”))来控制该设备的操作。因为通过脉宽调制后的脉冲列对接通或切断负载驱动电流进行切换，所以这种基于PWM的控制设备产生基本控制频率及其高次谐波的开关噪声。例如当将该设备案安装在车辆上时，该开关噪声可能对收听安装在同一辆车上的收音机具有影响，致使很难收听收音机或使得收音机产生强烈刺耳的噪声，或对其它车载数字装置的运转具有不利的影响。
日本特开平7(1995)-99795号公报公开了一种以减少上述噪声为目的而设计的步进马达控制装置。该装置用频率比控制时钟的频率低的正弦波对先前经过了PWM的用于控制电流控制步进马达的驱动电流脉冲列(或控制时钟)进行附加的频率调制。这产生了在所希望的频带上的噪声的谱分量的分散，从而减轻了噪声对车载设备或装置的影响。
数字处理器和数字电路技术的进步使得可以使用中央处理单元(CPU)等执行用于计算PWM模式的操作，使得可以使用数字计时器和数字比较器电路产生精确的PWM模式，从而即使该PWM模式很复杂，也可以方便地产生该模式。
如日本特开平7(1995)-99795号公报的图1所示，为了减弱噪声分量，将用于产生脉宽调制载波的频率的周期性变化的电力变换装置用于电流控制。然而，在这种电力变换装置中，在与PWM产生周期同步进行电流采样、控制计算等的装置中，发生根据载波频率(或周期)的变化的电流计算周期的变化。由于这个原因，电流控制特性根据载波周期是短是长而变化。因此，如稍后说明的图18所示，随着输出电流波形的变动发生由脉宽调制载波的频率变化所引起的周期性变动(其中，Tm表示变化的周期)。发生来自电力变换装置的输出电流波形的变动，可能导致由电力变换装置的输出所驱动的负载的运转的变动(例如，马达转矩的变动)。
发明内容
考虑到上述现有技术中存在的问题做出本发明。本发明的目的是提供一种用于控制电力变换装置的装置和方法，设计该装置和方法即使在电力变换装置产生脉宽调制载波的频率变化时，防止电力变换装置损害其控制特性。
为了解决前述问题，本发明提供一种用于电力变换装置的控制装置，电力变换装置对来自直流电源的输出进行脉宽调制从而产生交流电输出，控制装置包括：电流控制器，其将给定的电流命令值变换为电压命令值；载波产生器，其产生脉宽调制载波；脉宽调制产生器，其根据电压命令值和脉宽调制载波产生要供给到电力变换装置的脉宽调制后的信号；频率控制器，其使来自载波产生器的脉宽调制载波的频率变化；以及电流控制增益控制器，其根据脉宽调制载波的频率的变化使电流控制器的电流控制增益变化。在该控制装置中，电流控制器的电流控制增益根据来自载波产生器的脉宽调制载波的频率的变化而变化。根据本发明，该控制装置通过根据PWM载波频率的变化产生用于将电流命令值变换到电压命令值的电流控制增益的变化，抑制由来自电力变换装置的输出电流波形的PWM载波频率的变化引起的周期性变动的发生。由此，该控制装置抑制在由电力变换装置驱动的负载中的转矩和其它变动的发生。
顺便提及，如稍后将参考图8说明的，在PWM载波频率和电流控制增益之间存在固定的关系。因为该关系可以通过例如线性近似表达式给定，所以可以使用该表达式根据PWM载波频率的变化来方便地改变电流控制增益。
关于对电流命令值的过渡响应，控制装置包括检测来自电力变换装置的输出电流与给定电流命令值的偏差的偏差检测器。因此，控制装置根据来自载波产生器的PWM载波频率的变化产生电流控制器的电流控制增益的变化，还根据偏差产生电流控制增益的范围的变化。由此，控制装置改善来自电力变换装置的输出电流波形的过渡特性。
附图说明
现在参考附图说明本发明，其中：
图1是示出根据本发明的第一实施例用于控制电力变换装置的装置的框图；
图2是电流控制器的框图；
图3是PWM产生器的框图；
图4是电力变换器的电路图；
图5是示出由频率控制器执行的计算处理的流程图；
图6是示出由电流控制增益控制器执行的计算处理的流程图；
图7是示出电流控制增益和电流值的偏移量之间的关系的特性图；
图8是示出载波频率和电流控制增益之间的关系的特性图；
图9的(a)和(b)是示出在调制载波频率以提供正弦波形时发生的、电流控制增益相对于时间的变化的曲线图；
图10的(a)和(b)是示出在调制载波频率以提供三角波形时发生的、电流控制增益相对于时间的变化的曲线图；
图11的(a)和(b)是示出在载波频率随机变化时发生的、电流控制增益相对于时间的变化的曲线图；
图12是根据本发明的第二实施例用于控制电力变换装置的装置的框图；
图13是根据本发明的第三实施例用于控制电力变换装置的装置的框图；
图14是示出由图13所示的控制装置执行的计算处理的流程图；
图15是示出根据本发明的第四实施例的计算处理的流程图；
图16的(a)和(b)是分别示出载波频率和电流控制增益相对于时间的变化的曲线图；
图17的(a)和(b)是分别示出在本发明的情况下，载波相对于时间的变化和马达相电流(phase current)相对于时间的波形的图；
图18的(a)和(b)是分别示出在比较例的情况下，载波相对于时间的变化和马达相电流相对于时间的波形的图；
图19是示出根据本发明的第五实施例用于控制电力变换装置的装置的框图；
图20是根据第五实施例的电流控制器的框图；
图21的(a)是示出在过渡状态下比例增益和电流值的偏移量之间的关系的特性图，图21的(b)是示出在过渡状态下积分增益和电流值的偏移量之间的关系的特性图；
图22的(a)是示出载波频率和比例增益之间的关系的特性图，图22的(b)是示出载波频率和积分增益之间的关系的特性图；
图23的(a)～(d)是示出图20中所示电流控制器的载波频率fc、比例增益Kp以及积分增益Ki相对于时间的波形的图；
图24是示出根据本发明的第六实施例用于控制电力变换装置的装置的框图；
图25的(a)～(e)是示出图24中所示的控制装置的载波频率fc、比例增益Kp、积分增益Ki以及偏差相对于时间的波形的图；
图26的(a)～(c)示出用于由图24中所示控制装置进行控制的计算流程图和映射(map)；
图27是示出根据本发明的第七实施例用于控制电力变换装置的装置的框图；以及
图28的(a)～(d)是示出图27中所示的控制装置的载波频率fc、比例增益Kp和偏差的大小(或绝对值)与电流命令值的变化的大小(或绝对值)的比的图。
具体实施方式
下面将参考附图说明本发明的实施例，其中通过相同的附图标记表示相同的构件。
第一实施例
图1是示出根据本发明的第一实施例的电力变换装置和用于控制该电力变换装置的装置的例子的框图。
参考图1，电力变换器2例如是通过来自控制器6的脉宽调制信号(下文中简称为“PWM信号”)驱动、由此对负载3(例如，马达)提供交流电的PWM逆变器。电流检测器4检测从电力变换器2流向负载3的交流电，并将检测值发送到控制器6。电流命令产生器5给出关于驱动负载3的电流的命令信号。电流命令产生器5例如当将电力变换装置安装到车辆上时根据加速器操作的数量等将电流命令值发送到控制器6。
控制器6由电流控制器7、PWM产生器8、载波产生器9、电流控制增益控制器10以及频率控制器11构成。电流控制器7对来自电流命令产生器5的电流命令值和来自电流检测器4的检测电流值进行运算，并输出电压命令值。PWM产生器8通过将来自电流控制器7的电压命令值与来自载波产生器9的载波信号相比较产生由开/关信号组成的PWM信号，然后将该PWM信号输出到电力变换器2。电力变换器2根据输入的PWM信号通过对其内部开关元件进行开-关控制将交流电提供给负载3。
频率产生器11进行控制，使得载波产生器9产生可变载波频率。电流控制增益控制器10根据载波频率的变化产生电流控制器7的电流控制增益的变化。
下面将对图1中所示的块进行详细说明。
图2是示出控制器6内的电流控制器7的结构的框图。如图2所示，电流控制器7包括：计算来自电流检测器4的检测电流值与来自电流命令产生器5的电流命令值的偏差的计算器71，以及通过进行比例控制(P-控制)输出电压命令值的比例控制器72。根据来自电流控制增益控制器10的信号，设置改变由比例控制器72使用的比例控制的比例项，从而输出电压命令值根据载波频率的变化而变化。尽管在图2中给出了比例控制的比例项作为电流控制器7的电流控制增益的例子，但可以使用其它控制系统(例如，比例加积分控制，proportional-plus-integralcontrol)。
如在这里所使用的，以下面的方式得到来自电流检测器4的检测电流值。例如，电流检测器4检测PWM逆变器提供给作为负载的马达的U相、V相和W相(或如这里作为例子给出的三相交流)电流的值，且坐标变换器进行变换(或三相-二相变换)以将U相、V相和W相电流值变换为d轴坐标和q轴坐标的电流值。
图3是示出控制器6内的PWM产生器8的结构的框图。如图3中所示，PWM产生器8包括：对由电流控制器7输出的电压命令值进行坐标变换的坐标变换器81，以及比较坐标变换后的电压命令值和来自载波产生器9的载波的相对大小的比较器82。
坐标变换器81进行二项-三相坐标变换以将从电流控制器7供给的电压命令值从d轴坐标和q轴坐标值变换为U相、V相和W相值。
比较器82将坐标变换后的电压命令值与来自载波产生器9的载波信号相比较，并根据其相对大小向电力变换器2输出由开/关信号(Vu+、Vu-、Vv+、Vv-、Vw+、Vw-)组成的PWM信号。
图4是示出图1中所示的电力变换器2的结构的电路图。如图4中所示，电力变换器2包括：直流电源21、电容器22和6个开关元件23(用于三相交流)。开关元件23中的每一个由例如绝缘栅双极晶体管(IGBT，insulated gate bipolar transistor)的半导体装置构成。开关元件23根据来自PWM产生器8的比较器82的PWM信号(Vu+、Vu-、Vv+、Vv-、Vw+、Vw-)选择由直流电源21和电容器22形成的直流电源的正电极或负电极，所选择的电极向负载3(或马达)的U相、V相或W相电极供电。
电流检测器4检测电力变换器2(或PWM逆变器)向负载3(或马达)提供的U相、V相和W相电流的值。
另外，图1中所示的频率控制器11根据来自载波产生器9的输入三角波的峰(或最大值)或谷(或最小值)的定时产生载波频率的变化。在这种情况下，将以使用三角波作为载波并调制载波频率以提供三角波形式的情况为例进行说明。
在具有如上所述结构的电力变换装置的情况下，频率控制器11执行图5和图6所示的频率控制处理，由此能够防止由于载波频率的变化而导致的故障的发生，而不损害马达的效率。
首先，将参考图5所示的流程图对频率控制器11如何运行以执行频率控制处理进行详细的说明。
首先在步骤S0，频率控制器11确定要由频率控制器11改变的载波频率f的上限值fmax和下限值fmin，要将fmax和fmin值之间的频带划分为多少个等级(step)，以及变化值Δ(Δ＝(fmax-fmin)/等级数)。该处理步骤以从载波产生器9向频率控制器11输入三角波载波开始，接下来进行步骤S1。
在步骤S1，频率控制器11判断来自载波产生器9的输入载波是否具有最大值或最小值，即，载波信号值是否等于峰值。当频率控制器11判断为载波等于最大或最小值时，则控制处理进行到步骤S2。
在步骤S2，频率控制器11判断载波频率f的变化值Δ是正还是负。当变化值Δ为负时，控制处理进行到步骤S5。当变化值Δ为正时，控制处理进行到步骤S3。
在步骤S3，频率控制器11判断频率f是否达到上限值fmax。当做出频率f没有达到上限值fmax的判断时，控制处理进行到步骤S7，使得变化值Δ的符号不改变。当频率f达到上限值fmax时，控制处理进行到步骤S4。
在步骤S4，频率控制器11反转频率f的变化值Δ的符号(Δ←-Δ)，从而在下一次和其后的计算时降低频率f。这使得步骤S4完成，控制处理从步骤S 4进行到步骤S7。
在步骤S5，频率控制器11判断频率f是否达到下限值fmin。当做出频率f没有达到下限值fmin的判断时，控制处理进行到步骤S7，使得变化值Δ的符号不改变。当频率f达到下限值fmin时，控制处理进行到步骤S6。
在步骤S6，频率控制器11反转频率f的变化值Δ的符号，从而在下一次和其后的计算时增加频率f。这使得步骤S6完成，控制处理从步骤S6进行到步骤S7。
在步骤S7，频率控制器11将通过以上处理步骤确定的变化值Δ加到当前的频率f上以计算会被按顺序输入到载波产生器9的下一个周期的载波频率f。换句话说，控制频率f从而在每次进行计算时以变化值Δ进行单调增加或减小。这使得步骤S7完成，频率控制处理从步骤S7返回到步骤S1。
上述一系列的频率控制处理步骤使得在给定的时间段内载波频率f单调减小且在下一个时间段内载波频率f单调增加，即，将载波频率f调制为三角波的形式。
图6是示出在电流控制增益控制器10中发生的计算处理的流程图。
除了电流控制增益Kp的上限值Kpmax、下限值Kpmin和变化值ΔKp分别代替频率f的上限值fmax、下限值fmin和变化值Δ之外，由电流控制增益控制器10进行的图6的处理与上面图5的处理相同。图6的步骤S0’、S1’、S2’～S7’分别与图5的步骤S0～S7相对应。换句话说，控制电流控制增益Kp，从而在每次计算发生时以变化值ΔKp进行单调增加或减小。
执行图6的处理使得可以根据载波频率f的变化以三角波的形式改变电流控制器7的电流控制增益Kp。
现在参考图7对图6中所示的电流控制增益的上限值Kpmax和下限值Kpmin进行说明。
图7示出由载波频率导致的偏差的变化。在图7中，横轴表示当提供固定的电流命令值的输入时的电流控制器7的电流控制增益，纵轴表示电流命令值和检测电流值之间的差异(即，偏移量或偏差)。
从图7可见，当将电流控制增益设定为固定值时，随着载波频率f变高(或接近于上限值fmax)偏差变大，而随着载波频率f变低(或接近于下限值fmin)偏差变小。由此可见：当控制电流控制增益，使其随载波频率f的增加而增加或随载波频率f的减小而减小时，偏差可以保持固定。顺便提及，因为当基于周期设定载波频率时频率的倒数是周期，所以下阶段的控制等同于设定电流控制增益从而使其随着载波周期的增长而减小或随着载波周期的缩短而增加。
实验显示存在上面的关系，即，在载波频率和电流控制增益之间存在使偏差能够保持固定的给定的规则关系。图8是示出上面关系的图。在图8中，纵轴表示电流控制增益，横轴表示载波频率。从图8可见，载波频率基本上与电流控制增益成线性比例。
尽管可以使电流控制增益与全部变动的载波频率(或周期)相对应以确定使偏差固定的电流控制增益，但是可以使用从图8中所示的关系得到的线性近似表达式，根据电流控制增益的上限值和下限值确定电流控制增益。当根据图8确定了载波频率(或周期)的上限值和下限值时，因此可以将使偏差固定的载波频率(或周期)的上限值fmax和下限值fmin与电流控制增益的相应的上限值Kpmax和下限值Kpmin组合设置。
图9的(a)～图11的(b)示出在使用上述控制方法时发生的、载波频率(或周期)和电流控制增益相对于时间的变化。图9的(a)和(b)是示出在调制载波频率以提供正弦波形时发生的电流控制增益的变化的曲线图。图10的(a)和(b)是示出在调制载波频率以提供三角波形时发生的电流控制增益的变化的曲线图。图11的(a)和(b)是示出在载波频率随机变化时发生的电流控制增益相对于时间的变化的曲线图。图9的(a)、图10的(a)和图11的(a)示出载波频率相对于时间的变化，图9的(b)、图10的(b)和图11的(b)示出电流控制增益相对于时间的变化。在这些图中，Tm表示变化的周期。
如上所述，根据载波频率的变化，改变电流控制增益，因此电流控制增益也随着载波频率的变化一起变化。这使得可以抑制由于载波频率的变化引起的来自电力变换装置的输出电流的变动。
此外，将比例控制用于电流控制器7。从而，可以通过改变比例控制的比例项来实现电流控制增益的简单控制。
此外，可以调制载波频率以提供三角波形式。这便于计算并设定频率和电流控制增益，从而可以抑制来自电力变换装置的输出电流的变动。
第二实施例
图12是示出根据本发明的第二实施例用于控制电力变换装置的装置的框图。
根据第二实施例的控制装置设定有存储载波频率和电流控制增益之间的相互关系的映射12，替代图1中所示的频率控制器11。使用从映射12读出的值进行控制，以使载波产生器9产生可变频率。另外，来自映射12的值用于使电流控制增益控制器10根据载波频率的变化来改变电流控制器7的电流控制增益。这可以有效地防止由于载波频率的变化引起的故障的发生。其它组件的结构与先前所述的图1中示出的结构相同。
如上所述，载波频率与电流控制增益相映射，根据该映射改变载波频率和电流控制增益。这达到了便于设置复杂的载波频率和电流控制增益的组合的效果。
第三实施例
图13是示出根据本发明的第三实施例用于控制电力变换装置的装置的框图。
根据第三实施例的控制装置设定有产生频率的周期性变化的周期性频率控制器13，替代了图1中所示的频率控制器11。
周期性频率控制器13周期性地调制载波频率，从而便于计算和估计载波频率。这使得每次载波频率变化时可以改变电流控制增益，从而可以有效地防止由载波频率引起的故障的发生。
图14是示出根据第三实施例用于控制电流控制增益的方法的流程图。
图14的流程图是由前述图5和图6的流程图的组合形成的。图14的步骤S0”包括执行图5的步骤S0加图6中所示的增益初始化(或图6的步骤S0’)。步骤S4”、S6”和S7”包括与图6的步骤S4’、S6’、S7’中的电流控制增益Kp的改变同时执行图5的步骤S4、S6、S7中的载波频率f的改变。在这种情况下，载波频率可以被改变为例如曲线形式的任意形式，除非载波频率的变化量变得极大。
顺便提及，通过将图14所示的计算的结果储存在映射中，可以生成图12中所示的映射12。
如上所述，载波频率的周期性变化便于计算和估计载波频率，从而可以根据载波频率的变化来改变电流控制增益，因此能够抑制来自电力变换装置的输出电流的变动。
第四实施例
图15是辅助说明根据本发明的第四实施例用于控制电力变换装置的装置的控制方法的流程图。
根据第四实施例的控制方法用于在发生载波延迟时根据载波的延迟来延迟和改变电流控制增益。
在图1所示的控制装置1的情况下，从载波产生器9供给到PWM产生器8的载波可能由于被缓存或计算时间而延迟。在该结构的情况下，执行与图14的步骤S7”相对应的处理步骤(或图15的步骤S7和S8)。更具体地，在计算结束时将电流控制增益的变化值ΔKp临时保持为ΔKp1(在图15的步骤S8)，将该值ΔKp1用于下一次计算(在图15的步骤S7)。换句话说，与图14所示的计算处理相比，图15所示的处理用于通过使用延迟了一个计算循环的持续时间的电流控制增益的值来计算电压命令值。更具体地，当在从载波产生器9供给到电力变换装置的PWM产生器8的PWM载波中发生延迟时，将由从电流控制增益控制器10向电流控制器7发出的命令指示的电流控制增益值保持一个计算循环的持续时间，从而对下一次计算使用所保持的电流控制增益值以使电流控制器7计算电压命令值。进行该操作从而可以根据载波频率的变化来改变电流控制增益，使得可以有效地防止发生由于计算中的延迟等由载波频率产生的故障。
图16的(a)和(b)分别示出由上述处理产生的载波频率和电流控制增益的变化。在图16的(a)和(b)中，D表示等于一个计算循环的持续时间的延迟。
尽管上文中给出了将电流控制增益保持一个计算循环的持续时间的例子，但是也可以根据载波的延迟程度将电流控制增益保持多次计算的持续时间。
现在对于当电流控制增益固定时(或在比较例的情况下)发生的马达相电流的变化，以及当电流控制增益根据载波频率的变化而变化时(或在本发明的情况下)发生的马达相电流的变化进行说明。
图17的(a)和(b)以及图18的(a)和(b)是示出当用正弦波调制载波频率时呈现的载波频率和电流的变化的特性的图。图17的(a)和(b)示出本发明所具有的特性，图18的(a)和(b)示出比较例所具有的特性。
图17的(a)和图18的(a)示出载波频率相对于时间的变化。在图17的(a)和图18的(a)中，Tm表示相对于时间的变化周期。图17的(b)示出当电流控制增益根据载波频率的变化而变化时(或在本发明的情况下)形成的马达相电流相对于时间的波形。图18的(b)示出电流控制增益固定时(或在比较例的情况下)形成的马达相电流相对于时间的波形。
从图17的(a)～图18的(b)可见，如在比较例的情况下所观测的，马达相电流根据载波频率的变动而变动，而如在本发明的情况下所观测的，即使载波频率周期性变动，马达相电流也几乎以直线波形保持稳定。据此，可见本发明的方法抑制电流的变动。
对将载波频率调制为三角波形式或以随机方式调制载波频率的情况进行相同的处理。更具体地，与固定的电流控制增益相比，根据载波频率的变化而变化的电流控制增益可以抑制马达相电流的变动，因此可以有效地防止由载波频率所引起的故障的发生。
第五实施例
参考前述第一到第四实施例，给出了以下例子：其中出现了电流命令值基本固定的稳态，并且存在输出电流与电流命令值的单一偏差。第五实施例适合于满足以下的情况：其中出现了电流命令值变动且存在多个输出电流与电流命令值的变动偏差(即，存在多个偏差且各自变动)的过渡状态。
图19是示出根据本发明的第五实施例用于控制电力变换装置的装置的框图。在图19中，通过图1所示相同的附图标记表示基本相同的部分。下面对与图1中所示结构不同的结构进行说明。
根据第五实施例的控制装置在电流控制器7之外设置了用于检测检测电流值与电流命令值的偏差的偏差检测器70。通过该结构，根据检测到的偏差控制电流控制增益控制器10，从而根据载波频率的变化来改变电流控制器7的电流控制增益，还根据偏差来改变电流控制增益的范围(例如，电流控制增益变化的带的平均值)。换句话说，因为在电流命令值变动的过渡状态中存在输出电流与电流命令值的多个变动偏差，所以该控制装置用于根据偏差的变化来改变电流控制增益的范围。这可以实现来自电力变换装置的输出电流波形的过渡特性的改善。
下面进行详细说明。
图20是示出控制器6内的电流控制器7的结构的框图。如图20中所示，偏差检测器70检测来自电流检测器4的检测电流值与来自电流命令产生器5的电流命令值的偏差。顺便提及，以下面的方式得到来自电流检测器4的检测电流值。例如，电流检测器4检测电力变换器2(或PWM逆变器)提供给作为负载3的马达的U相、V相和W相电流(或作为例子的三相交流)的值，坐标变换器进行变换(或三相-二项变换)以将U相、V相和W相电流值变换为d轴坐标和q轴坐标电流值。
电流控制增益控制器10根据来自频率控制器11的载波频率的变化产生电流控制器7的电流控制增益的变化，还根据来自偏差检测器70的偏差产生电流控制增益的范围的变化(稍后将详细说明)。
电流控制器7包括作为结构组件的比例项计算器72和积分项计算器73，并通过对检测电流值和电流命令值的偏差进行比例加积分控制(PI控制)来输出电压命令值。电流控制器7用于根据来自电流控制增益控制器10的信号改变比例项计算器72的比例项，从而根据载波频率的变化来改变输出电压命令值，并且还根据偏差改变输出电压命令值的范围。尽管在图20中给出了比例加积分控制作为电流控制器7的电流控制例子，但是可以如图2所示单独使用比例控制。
图21的(a)和(b)是辅助说明用于控制电流控制器7的电流控制增益(或比例增益和积分增益)的方法的图，其示出由预定载波频率引起的偏差的变化。在图21的(a)中，横轴表示当提供变动的电流命令值的输入时电流控制器7的比例增益Kp，纵轴表示电流命令值和检测电流值之间的差异(即，偏移量或偏差)。在图21的(b)中，横轴表示当提供变动的电流命令值的输入时电流控制器7的积分增益Ki，纵轴表示电流命令值和检测电流值之间的差异(即，偏移量或偏差)。在图21的(a)和(b)中，fcmax和fcmin分别表示与载波频率的上限值和下限值相对应的特性曲线。
在过渡状态下，偏差也随着电流命令值的变化而变化。通过预定的基准值e1、e2和e3将偏差的大小划分为4个部分。当偏差e等于或大于值e1时(e≥e1)，将增益Kp的范围设为{1}，且增益Kp在范围{1}内与载波同步变化。当偏差e位于值e2(包括)和值e1(不包括)之间(e1＞e≥e2)时，将增益Kp的范围设为{2}，且增益Kp在范围{2}内变化。同样地，当偏差e位于值e3(包括)和值e2(不包括)之间(e2＞e≥e3)时，增益Kp在范围{3}内与载波同步变化，或当偏差e小于值e3(e3＞e)时，增益Kp在范围{4}内与载波同步变化。Ki的变化范围与比例增益Kp的情况相似地确定。
换句话说，增益Kp和Ki的范围根据偏差e的大小而变化。在图21的(a)中，根据每一个所划分的偏差区域的电流控制增益的上限值(对应于曲线fcmax)的平均值及其下限值(对应于曲线fcmin)的平均值来设置增益Kp的范围。例如，当偏差e位于值e2(包括)和值e1(不包括)之间(e1＞e≥e2)时，与从值e1到值e2范围的曲线fcmax相对应的增益Kp的平均值是范围{2}的上限值，与从值e1到值e2的范围的曲线fcmin相对应的增益Kp的平均值是范围{2}的下限值。
顺便提及，不限于如上所述地通过划分偏差的大小并确定平均值来设置范围，也可以对应于每个偏差设置范围。
图22的(a)是示出载波频率和比例增益之间关系的图。图22的(b)是示出载波频率和积分增益之间关系的图。在图22的(a)和(b)中，纵轴表示电流控制增益，横轴表示载波频率。从图22的(a)和(b)可见，载波频率与比例增益和积分增益都基本上成线性比例。
尽管可以使比例增益或积分增益与全部变动的载波的频率(或周期)相对应，以确定使偏差固定的比例增益或积分增益，但是可以使用根据图22的(a)和(b)所示的关系得到的线性近似表达式，根据比例增益或积分增益的上限值和下限值来确定比例增益或积分增益。当如前所述确定了比例增益或积分增益的范围{1}～{4}以及上限值和下限值时，因此可以将使得偏差固定的载波频率(或周期)的上限值fcmax和下限值fcmin与比例增益的相应的上限值Kpmax和下限制Kpmin或积分增益的Kimax和Kimin组合设置。
图23的(a)～(d)是示出通过使用图21的(a)～图22的(b)设置的载波频率fc和比例增益Kp以及积分增益Ki相对于时间的波形的图。图23的(a)示出响应于电流命令值ref的输出电流相对于时间的波形。图23的(b)示出来自载波产生器9的载波频率fc相对于时间的变化。图23的(c)示出在提供电流命令值ref的输入时电流控制器7的比例增益Kp的变化。图23的(d)示出在提供电流命令值ref的输入时电流控制器7的积分增益Ki的变化。
在图23的(a)中，虚线(即电流命令值ref)和实线(即检测电流值)之间的差对应于偏差。在图23的(a)中，e1、e2和e3表示上述用于划分偏差的大小的基准值。图23的(c)中所示的比例增益Kp与图23的(b)中所示的载波频率fc相对于时间的变化同步变化，此外，增益Kp的范围根据图23的(a)中所示偏差从{1}变到{4}。
尽管图23的(a)～(d)给出了通过基准值e1、e2和e3划分偏差的大小的例子，但划分区域的数量不局限于该例。
上述结构可以根据输出电流与电流命令值的偏差来改变电流控制增益的范围。
除了上面所述的之外，还可以将参考第一到第四实施例说明的内容应用于第五实施例。更具体地，这些内容包括以下的配置：当频率控制器产生载波频率的周期性变化或当从电流控制器供给到PWM产生器的电压命令值中发生延迟时，将由来自电流控制增益控制器的命令给出的电流控制增益值保持进行预定数量计算所需的持续时间，并且电流控制器对下一次计算使用所保持的电流控制增益值来计算电压命令值。
第六实施例
图24是示出根据本发明的第六实施例用于控制电力变换装置的装置的框图。在图24中，通过图20中所示相同的附图标记表示相同的部分。
根据第六实施例的控制装置由根据第五实施例的控制装置，并附加用于判断偏差的大小的判断单元100构成。
下面参考图25的(a)～(e)对于判断单元100的操作和确定增益Kp的方法进行说明。
图25的(a)示出电流命令值从ref1变化到ref2时形成的、响应于电流命令值的输出相对于时间的波形。图25的(b)示出发生在图25的(a)所示情况下的、偏差的大小(或绝对值)相对于时间的变化。图25的(c)示出载波频率的变化。图25的(d)示出发生在图25的(c)所示情况下的增益Kp的变化。图25的(e)示出发生在图25的(c)所示情况下的增益Ki的变化。
当例如图25的(b)所示，将值e1用作判断单元100进行判断的基准值时，如果偏差的绝对值等于或大于值e1，则将增益Kp的范围设置为{2}；或者如果偏差的绝对值小于值e1，则将增益Kp的范围设置为{1}。这可以降低过渡状态下的过调(overshoot)，从而改善过渡状态下的可控制性。
尽管在图25的(a)～(e)中作为例子给出了电流命令值的前沿，但是第六实施例还可以对电流命令值的后沿具有相同的效果。
图26的(a)～(c)示出在参考图25的(a)～(e)说明的控制中使用的计算流程图和映射。
首先，如图26的(c)所示，将变动的PWM载波频率设置为fc(1)～fc(n)。在图26的(c)中，将fc(1)～fc(n)分别表示为fc1～fcn。
然后，如图26的(b)所示生成fc-Kp、Ki(载波频率-增益)映射。映射中的值可用于控制以产生载波频率fc和增益Kp、Ki的同步变化。
图26的(b)中的{1}Kp列包括在图21的(a)所示增益Kp的部分{1}中根据在载波频率的范围(fcmin和fcmax之间)内所划分的载波频率fc的数量使偏差固定的载波频率fc和增益Kp的组合。换句话说，在增益Kp的部分{1}中，范围{1}Kp(1)～{1}Kp(n)分别对应于载波频率fc(1)～fc(n)，并具有使偏差固定的Kp值。与{1}Kp列的情况相同，{2}Kp列包括在图21的(a)所示增益Kp的部分{2}中，根据在载波频率的范围(fcmin和fcmax之间)内所划分的载波频率fc的数量使偏差固定的载波频率fc和增益Kp的组合。
现在给出对于图26的(a)中所示计算处理的说明。当计算开始时，首先将计数器的值m设置为1。在步骤S10，将载波频率设置为fc(1)。在步骤S11，计算偏差e的值。在步骤S12，将偏差e的值与基准值e1相比较。当偏差e的绝对值小于基准值e1时，处理进行到步骤S13。在步骤S13，将{1}Kp(1)的值设置为图24中所示的电流控制器7的增益Kp，将{1}Ki(1)的值设置为电流控制器7的增益Ki，然后处理进行到步骤S15。在步骤S15，计数器的值m向上计数。在步骤S16，将计数器的值m与n的值进行比较。当计数器的值m小于n的值时，处理返回到步骤S11，然后重复上面的计算。当在步骤S12的比较显示偏差e等于或大于基准值e1时，处理进行到步骤S14。在步骤S14，将{2}Kp(2)的值设置为增益Kp，将{2}Ki(2)的值设置为增益Ki，然后处理进行到步骤S15。
图25的(a)～(d)中所示的控制可由上述处理实现。
第七实施例
图27是示出根据本发明的第七实施例用于控制电力变换装置的装置的框图。在图27中，通过图20中所示相同的附图标记表示相同的部分。
根据第七实施例的控制装置由根据第五实施例的控制装置，以及附加设置的用于判断偏差的大小(或绝对值)与电流命令值的变化的大小(或绝对值)的比率的判断单元101构成。
下面参考图28的(a)～(d)对于判断单元101的操作和确定增益Kp的方法进行说明。
图28的(a)示出电流命令值从ref1变化到ref2时形成的、响应于电流命令值的输出相对于时间的波形。图28的(b)示出在图28的(a)所示的情况下发生的、偏差的大小(或绝对值)与电流命令值的变化的量(或绝对值)的比率相对于时间的变化。图28的(c)示出载波频率的变化。图28的(d)示出在图28的(c)所示的情况下发生的增益Kp的变化。
例如图28的(b)所示，当值e1用作判断单元101的基准值进行判断时，如果偏差的大小与电流命令值的变化的量的比率等于或小于值e1，则将增益Kp的范围设置为{2}，或者如果偏差的大小与电流命令值的变化的量的比率大于值e1，则将增益Kp的范围设置为{1}。这可以降低过渡状态下的过调，从而改善过渡状态下的可控性。
尽管在图28的(a)～(d)中作为例子给出了电流命令值的前沿，但第七实施例还可以对电流命令值的后沿具有相同的影响。此外，使用偏差的大小(或绝对值)与电流命令值的变化的量(或绝对值)的比率，从而可将用于判断的基准值e1设置为电流命令值的变化的量的百分比(％)。
当为了消除由PWM信号打开或关闭电力变换装置的开关元件所产生的高次谐波的开关噪声而改变PWM载波频率时，在来自电力变换装置的输出电流波形中发生由PWM载波频率的变化引起的周期性变动。根据上述实施例，通过根据PWM载波频率的变化产生将电流命令值变换到电压命令值的电流控制增益的变化，控制装置和方法可以抑制来自电力变换装置的输出电流波形的PWM载波频率的变化所引起的周期性变动的发生。因此，控制装置和方法实现了可以消除在由电力变换装置驱动的负载中发生的扭矩变动等故障的效果。对于电流命令值的过渡响应，控制装置和方法可以根据来自载波产生器的PWM载波频率的变化产生电流控制器的电流控制增益的变化，还可以根据来自电力变换装置的输出电流和给定的电流命令值的偏差产生电流控制增益的范围的变化。因此，控制装置和方法实现了能够改善来自电力变换装置的输出电流波形的过渡特性的效果。
这里说明的优选实施例只是示例性的而不是限制性的，本发明可以以其它方式实现或实施，而不脱离其实质或基本特征。本发明的范围由权利要求书指定，希望将在权利要求书中的全部变化包含于此。
本公开涉及包含在2006年4月26日提交的日本专利申请2006-122093号和在2007年2月13日提交的日本专利申请2007-31587号中的主题，其全部通过引用包含于此。

Claims (16)

1.一种用于电力变换装置的控制装置，所述电力变换装置对来自直流电源的输出进行脉宽调制从而产生交流电输出，所述控制装置包括：
电流控制器，其将给定的电流命令值变换为电压命令值；
载波产生器，其产生脉宽调制载波；
脉宽调制产生器，其根据所述电压命令值和所述脉宽调制载波产生要供给到所述电力变换装置的脉宽调制后的信号；
频率控制器，其使来自所述载波产生器的所述脉宽调制载波的频率变化；以及
电流控制增益控制器，其根据所述脉宽调制载波的频率的变化使所述电流控制器的电流控制增益变化，
其中，所述电流控制器的所述电流控制增益根据来自所述载波产生器的所述脉宽调制载波的频率的变化而变化。
2.根据权利要求1所述的用于电力变换装置的控制装置，其特征在于，所述电流控制器是比例控制器，通过改变所述比例控制器的比例项来改变所述电流控制增益。
3.根据权利要求1所述的用于电力变换装置的控制装置，其特征在于，所述频率控制器使所述脉宽调制载波的频率周期性地变化。
4.根据权利要求1所述的用于电力变换装置的控制装置，其特征在于，当从所述电流控制器供给到所述脉宽调制产生器的所述电压命令值中发生延迟时，将由来自所述电流控制增益控制器的命令给定的电流控制增益值保持进行预定数量计算的持续时间，并且所述电流控制器对下一次计算使用所保持的电流控制增益值来计算所述电压命令值。
5.一种用于电力变换装置的控制方法，所述电力变换装置对来自直流电源的输出进行脉宽调制从而产生交流电输出，所述控制方法包括：
将给定的电流命令值变换为电压命令值；
根据所述电压命令值和脉宽调制载波产生要供给到所述电力变换装置的脉宽调制后的信号；
使所述脉宽调制载波的频率变化；以及
根据所述脉宽调制载波的频率的变化使用于将所述电流命令值变换到所述电压命令值的电流控制增益变化。
6.根据权利要求5所述的用于电力变换装置的控制方法，其特征在于，将比例控制用于将给定的电流命令值变换为所述电压命令值的计算，通过改变所述比例控制的比例项来改变所述电流控制增益。
7.根据权利要求5所述的用于电力变换装置的控制方法，其特征在于，周期性地改变所述脉宽调制载波的频率。
8.根据权利要求5所述的用于电力变换装置的控制方法，其特征在于，当在所述脉宽调制载波中发生延迟时，将所述电流控制增益的值保持进行预定数量的计算的持续时间，并对下一次计算使用所保持的电流控制增益值来计算所述电压命令值。
9.一种用于电力变换装置的控制装置，所述电力变换装置对来自直流电源的输出进行脉宽调制从而产生交流电输出，所述控制装置包括：
电流控制器，其将给定的电流命令值变换为电压命令值；
载波产生器，其产生脉宽调制载波；
脉宽调制产生器，其根据所述电压命令值和所述脉宽调制载波产生要供给到所述电力变换装置的脉宽调制后的信号；
频率控制器，其使来自所述载波产生器的所述脉宽调制载波的频率变化；
电流控制增益控制器，其根据所述脉宽调制载波的频率的变化使所述电流控制器的电流控制增益变化；以及
偏差检测器，其检测来自所述电力变换装置的输出电流与所述给定的电流命令值的偏差，
其中，所述电流控制器的所述电流控制增益根据来自所述载波产生器的所述脉宽调制载波的频率的变化而变化，并且所述电流控制增益的范围根据所述偏差而变化。
10.根据权利要求9所述的用于电力变换装置的控制装置，其特征在于，将所述偏差的大小划分为多个部分，并根据每个部分中所述电流控制增益的上限值的平均值和所述电流控制增益的下限值的平均值设定所述电流控制增益的范围。
11.根据权利要求9所述的用于电力变换装置的控制装置，其特征在于，还包括用于判断所述偏差的绝对值是否大于预定基准值的判断单元，
其中，当所述偏差的绝对值大于所述基准值时，将所述电流控制增益的范围设定为与当所述偏差的绝对值等于或小于所述基准值时的不同。
12.根据权利要求9所述的用于电力变换装置的控制装置，其特征在于，还包括判断所述偏差的大小的绝对值与所述电流命令值的变化的大小的绝对值的比率是否大于预定基准值的判断单元，
其中，当所述偏差的大小的绝对值与所述电流命令值的变化的大小的绝对值的比率大于所述基准值时，将所述电流控制增益的范围设定为与当所述比率等于或小于所述基准值时的不同。
13.一种用于电力变换装置的控制方法，所述电力变换装置对来自直流电源的输出进行脉宽调制从而产生交流电输出，所述控制方法包括：
将给定的电流命令值变换为电压命令值；
根据所述电压命令值和脉宽调制载波产生要供给到所述电力变换装置的脉宽调制后的信号；
使所述脉宽调制载波的频率变化；
检测来自所述电力变换装置的输出电流与所述给定的电流命令值的偏差；以及
根据所述脉宽调制载波的频率的变化使用于将所述电流命令值变换到所述电压命令值的电流控制增益变化，且所述电流控制增益的范围根据所述偏差而变化。
14.根据权利要求13所述的用于电力变换装置的控制方法，其特征在于，将所述偏差的大小划分为多个部分，并根据每个部分中所述电流控制增益的上限值的平均值和所述电流控制增益的下限值的平均值设定所述电流控制增益的范围。
15.根据权利要求13所述的用于电力变换装置的控制方法，其特征在于，还包括判断所述偏差的绝对值是否大于预定基准值，
其中，当所述偏差的绝对值大于所述基准值时，将所述电流控制增益的范围设定为与当所述偏差的绝对值等于或小于所述基准值时的不同。
16.根据权利要求13所述的用于电力变换装置的控制方法，其特征在于，还包括判断所述偏差的大小的绝对值与所述电流命令值的变化的大小的绝对值的比率是否大于预定基准值，
其中，当所述偏差的大小的绝对值与所述电流命令值的变化的大小的绝对值的比率大于所述基准值时，将所述电流控制增益的范围设定为与当所述比率等于或小于所述基准值时的不同。
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